CN204966682U - 一种空气圆形圆极化天线 - Google Patents

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吕文俊
薛白
朱洪波
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Abstract

本实用新型公开了一种空气圆形圆极化天线，属于微波技术领域。在空气介质中分别设计结构相同、反对称布置的顶层电偶极臂与底层电偶极臂、顶层相位转换枝节与底层相位转换枝节，引入与顶层相位转换枝节、底层相位转换枝节相连接的半圆柱形非全封闭贴片辐射单元。反对称布置的顶层电偶极臂与底层电偶极臂可以等效为一个电偶极子天线单元，半圆柱形非全封闭贴片可以等效为一个平面磁偶极子单元，两者通过相位转换枝节实现90°时间相位差，使天线具有圆极化定向辐射特性。本实用新型的组合天线采用单点馈电，能产生平行于天线所在平面的圆极化波束，具有结构简单、剖面低、体积小、制作成本低廉等特点，应用领域十分广泛。

Description

一种空气圆形圆极化天线
技术领域
本实用新型涉及一种空气圆形圆极化天线，属于微波技术领域。
背景技术
随着空间和通信技术的发展，圆极化天线以其巨大的优势，在无线领域中发挥着重要作用。线极化波容易在传输环境中发生极化偏转造成衰减，而圆极化波遇到障碍物会反向，因为直射波和反射波会有极化隔离，所以圆极化波具有很强的抗干扰能力和防雨雾能力，并且在民用和军用领域被广泛使用。
目前，圆极化天线的制作大致可以包括三种方法。第一种方法为互补振子实现圆极化；第二种方法为使用旋转结构，如微带平面旋转天线和立体结构的螺旋天线；第三种方法是在贴片或介质谐振腔上产生空间、时间均正交的线极化辐射模式，叠加成圆极化。以上方式基本上是采用在天线平面上产生两个极化和相位正交的线极化辐射模式来实现圆极化，具有宽边辐射特性，其辐射最大方向垂直于天线所在的平面。采用螺旋天线、喇叭天线、八木天线等结构虽然有利于实现端射圆极化特性，然而它们的立体结构不便集成与小型应用，而且波束均垂直于天线所在的平面。在某些需要圆极化波束指向平行于天线所在平面的特殊应用场合下（如：低剖面的手持式射频识别读写器），上述宽边辐射和端射设计方案都不再适用。
实用新型内容
针对上述问题，为了保持天线的固有平面特性，又要实现圆极化波束，还要令波束指向平行于天线所在平面的方向，本实用新型提供一种与以往不同的空气圆形圆极化天线，采用单点馈电，能产生平行于天线所在平面的圆极化波束，具有结构简单、剖面低、体积小、制作成本低廉等特点，应用领域十分广泛。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本实用新型提供一种空气圆形圆极化天线，包括半圆柱形非全封闭贴片辐射单元、顶层电偶极臂、底层电偶极臂、顶层相移线、底层相移线，其中，贴片辐射单元的上表面通过顶层相移线与顶层电偶极臂相连接，下表面通过底层相移线与底层电偶极臂相连接；顶层电偶极臂与底层电偶极臂的结构与尺寸相同，且相对于贴片辐射单元反对称排布，两者构成平面电偶极子单元；顶层相移线与底层相移线的结构与尺寸相同，且相对于贴片辐射单元对称排布。
作为本实用新型的进一步优化方案，贴片辐射单元的非封闭面朝向平面电偶极子单元。
作为本实用新型的进一步优化方案，贴片辐射单元采用同轴线进行激发，其中，贴片辐射单元的上表面与同轴线的内导体连接，贴片辐射单元的下表面与同轴线的外导体连接。
作为本实用新型的进一步优化方案，该天线为单点馈电。
作为本实用新型的进一步优化方案，贴片辐射单元在其边缘中心位置处通过顶层相移线、底层相移线和平面电偶极子单元的边缘中心位置连接。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本实用新型是纯平面结构，无需介质板，是一种结构简单、剖面低、体积小、制作成本低廉的高性能圆极化天线。
附图说明
图1是天线的正面结构与参考坐标示意图。
图2是天线的侧面结构与参考坐标示意图。
图3是天线的三维立体示意图与参考坐标示意图。
其中，1是半圆柱形非全封闭贴片辐射单元，2是顶层磁偶极臂，3是底层磁偶极臂，4是顶层相移线，5是底层相移线，6是半圆柱形非全封闭贴片辐射单元的上表面，7是半圆柱形非全封闭贴片辐射单元的下表面，8是同轴线的内导体，9是同轴线的外导体。
图4是利用HFSS软件计算的天线反射系数特性。
图5是采用HFSS软件计算的天线轴比示意图。
图6是采用HFSS软件计算的天线方向图，其中，(a)是xoy-平面，(b)是yoz-平面。
图7是采用HFSS软件计算的天线增益示意图。。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
对照附图1、图2，图3，本实用新型一种空气圆形圆极化天线，包括半圆柱形非全封闭贴片辐射单元1、顶层电偶极臂2、底层电偶极臂3、顶层相移线4、底层相移线5，其中，贴片辐射单元1是非封闭结构，其上表面6通过顶层相移线4与顶层电偶极臂2相连接，下表面7通过底层相移线5与底层电偶极臂3相连接；顶层电偶极臂3与底层电偶极臂4的结构与尺寸相同，且相对于贴片辐射单元1反对称排布，两者构成平面电偶极子单元；顶层相移线4与底层相移线5的结构与尺寸相同，且相对于贴片辐射单元1对称排布。
贴片辐射单元1的非封闭面等效为平面磁偶极子，其模式为TM11模式；顶层电偶极臂与底层电偶极臂构成的平面电偶极子单元，其模式为半波偶极子模式。本实用新型的天线产生的圆极化波束，指向平行于天线所在平面的方向。
对照附图4和图5，图4是利用HFSS软件仿真计算得到的天线反射系数频率特性，由图4可知，相对带宽达到了6.04%，覆盖了2.41-2.56GHz频段，中心频率在2.49GHz，该天线阻抗带宽完全覆盖了2.4GHz的工作频段；图5是利用HFSS软件仿真计算得到的天线轴比特性，由图5可知，轴比带宽在阻抗带宽的范围之内，天线的3dB轴比带宽覆盖了2.36-2.67GHz，相对轴比带宽约为12.33%。
对照附图1中的参考坐标系与附图6、图7，图6中的(a)和(b)分别给出了2.45GHz的两个主工作面方向图（xoy-平面与yoz-平面），图中的实线为左旋圆极化分量，虚线为右旋圆极化分量；图7给出了工作频段内的增益特性，在天线谐振频率的最大辐射方向上，增益可以达到2.7dBi。由图6和图7可知，在整个工作频段内，天线具有相对稳定的定向辐射特性，可以认为该天线的方向图带宽、增益带宽与阻抗带宽是基本一致的。
综上所述，本实用新型一种空气圆形圆极化天线，利用半圆柱形非全封闭贴片辐射单元等效的平面磁偶极子单元、顶层电偶极臂与底层电偶极臂构成的平面电偶极子单元，使天线具有圆极化定向辐射特性。本实用新型的组合天线采用单点馈电，能产生平行于天线所在平面的圆极化波束，具有结构简单、剖面低、体积小、制作成本低廉等特点，应用领域十分广泛。
以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种空气圆形圆极化天线，其特征在于，包括半圆柱形非全封闭贴片辐射单元（1）、顶层电偶极臂（2）、底层电偶极臂（3）、顶层相移线（4）、底层相移线（5），其中，贴片辐射单元（1）的上表面(6)通过顶层相移线(4)与顶层电偶极臂（2）相连接，下表面(7)通过底层相移线(5)与底层电偶极臂（3）相连接；顶层电偶极臂（3）与底层电偶极臂（4）的结构与尺寸相同，且相对于贴片辐射单元（1）反对称排布，两者构成平面电偶极子单元；顶层相移线(4)与底层相移线(5)的结构与尺寸相同，且相对于贴片辐射单元（1）对称排布。
2.根据权利要求1所述的一种空气圆形圆极化天线，其特征在于，贴片辐射单元（1）的非封闭面朝向平面电偶极子单元。
3.根据权利要求1所述的一种空气圆形圆极化天线，其特征在于，贴片辐射单元（1）采用同轴线进行激发，其中，贴片辐射单元（1）的上表面与同轴线的内导体（8）连接，贴片辐射单元（1）的下表面与同轴线的外导体（9）连接。
4.根据权利要求1所述的一种空气圆形圆极化天线，其特征在于，该天线为单点馈电。
5.根据权利要求1所述的一种空气圆形圆极化天线，其特征在于，贴片辐射单元（1）在其边缘中心位置处通过顶层相移线（4）、底层相移线（5）和平面电偶极子单元的边缘中心位置连接。
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